ORC生物质成型燃料链条炉燃烧及系统性能研究

发布时间：2020-09-05 11:20

　　地球上生物质资源相当丰富,据估算,地球上蕴藏的生物质达18000亿吨,2013年我国可开发为能源的生物质资源约为4亿吨,且随着农林业的发展,生物质资源将越来越多。据估计,到21世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。目前我国生物质燃料成型技术已比较成熟,生物质成型燃料生产能力不断提高,研究进一步扩大生物质成型燃料的应用范围及生物质成型燃料的高效利用技术已成为亟待解决的问题。本文提出采用生物质成型燃料导热油链条炉作为有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)的驱动热源,将生物质能转换为电能,实现生物质成型燃料的高效利用。为了提高ORC生物质成型燃料导热油链条炉系统的效率,本文完成了如下主要内容的研究： (1)通过热重试验,分析了生物质成型燃料燃烧过程中水分蒸发、挥发分析出及燃烧、固定碳燃烧3个过程的基本反应机理,结合计算流体力学、传热学、化学反应动力学等方面的理论和方法,建立了单颗粒生物质成型燃料燃烧过程的二维计算模型,并进行了模拟计算,得到了单颗粒生物质成型燃料燃烧过程的气体成分以及温度分布变化情况。通过试验结果与计算结果的对比,验证了该模型的准确性。单颗粒生物质成型燃料燃烧过程的模拟研究为构建生物质成型燃料导热油链条炉的床层燃烧计算模型奠定了基础。 (2)构建了生物质成型燃料导热油链条炉的床层燃烧和炉膛燃烧一体化的综合模型,对床层和炉膛的流动、传热和传质过程进行了耦合计算。为验证模型的准确性,采用气相色谱仪测量了某链条炉中生物质床层表面的气体成分分布,并与模拟结果进行对比分析,结果吻合较好。基于该模型,研究了空气预热温度、料层厚度、炉排前进速度、颗粒直径和配风方式对生物质床层燃烧和炉膛燃烧的影响规律,为运行提供了理论依据。 (3)结合传热学、热力学、流体力学和火用分析方法,建立了生物质成型燃料链条炉系统热力性能的数学模型。应用该模型研究了导热油入口温度、导热油入口流量、二次风温度和二次风速度等影响因素对生物质成型燃料导热油链条炉最终排烟温度、热效率、导热油出口温度、火用效率等主要性能指标的影响规律。研究结果表明各影响因素与系统性能之间存在比较复杂的非线性数学关系,为提高锅炉的性能指标,需要对系统进行多参数的并行优化。 (4)运用数学规划理论,基于蚁群算法,建立了生物质成型燃料链条炉系统的多参数优化模型,提出了单目标优化、多目标优化或火用经济优化方法,并以系统最终排烟温度、导热油出口温度、热效率、火用效率、年度总成本、年度化净利润评价指标对生物质成型燃料链条炉系统进行了优化,使该系统的有关性能得到极大改善和提高,如经过初步优化设计后系统供热量同为13.95MW的生物质成型燃料链条炉系统的年度化总成本比原设计下降近8.8%,年度化净利润提高近7%。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK6
【部分图文】：

流程图,联合驱动,联供,生物质

-I Tifegy图1.1 “非聚焦太阳能与生物质热能联合驱动冷热电联供系统”的流程图Fig. 1.1 The diagram of cold and hot and electrical systems solar and biomass energy drived1.2生物质成型燃料燃烧技术的发展现状1.2.1国外发展现状早在20世纪30年代美国就^u始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术，并研制了螺旋式压缩成型机及相关的燃烧设备[I5】；在同一时期日本也开始研究机械活塞式成型技术用于处理林业废弃物，并于1954年研制出单、多头螺杆挤压式棒状燃料成型机，其年产量达到250kt左右，1983年从美国引进颗粒燃料成型技术及相关燃烧设备[〗6_18]，到1987年建成了十几个年产量为十几万吨的生物颗粒成型燃料生产厂且投入运行，还建立了一批专业燃烧设备厂fi9_2G]。20世纪70年代后期，由于世界能源危机，石油价格上涨，许多欧洲国家如法国、意大利、比利时、芬兰、德国等国家也开始纷纷重视压缩成型技术及燃烧技术的研究[21

迭代过程

图1.4 FLIC和FLUENT的壀合迭代过程Fig. 1.4 The coupling between FLIC and FLUENT发展以及生物质成型燃料锅炉使用量的增加，各物质成型燃料锅炉床层燃烧数值模型。Thunman将床层上的燃料颗粒模化为均R鸦脑睬颍睬蚬Ｔ睬蛭滔啵湎都涞目掌唷９滔嗪涂梢匝芯咳忌展痰母稍铩⑷冉夂徒固咳忌詹煌籽榻峁喾yu等[7^1]利用类似拉格朗日法构中的床层燃烧模型来模拟固定床不同炉排长度位层内温度、水分、挥发分等组分随不同炉排长度位二维移动床燃料颗粒混合扩散效应的数学模型，等各种气体和温度变化与炉排移动时间和前进速基础上，开发了一个名为FLIC的二维固体废弃

温度分布,中心面,水分蒸发,温度分布

3.3.1床层燃烧特性图3.4所示为水分蒸发结束时X、y方向中心面上料层和气体温度的分布，此时料层和气体最高温度都为681K。由图3.4可知，水分蒸发结束时，料层上部的高温区较薄，燃烧带厚度约为0.01?0.02rn，在燃烧区域以下的料层与气体的温度均较低。这主要由以下两方面原因造成，一是燃料颗粒进入炉内，床层表层燃料颗粒立即接受炉内高温烟气（火焰）和炉墙的福射，使得燃料颗粒温度逐渐升高。燃料颗粒热量由上向下传递，然而助燃空气由下向上喷吹，低温气流速度远远大于固相热量向下传递的速度

【参考文献】